單寧酸和綠原酸對楊梅花色苷的輔色作用

樓樂燕，岳陽，尹培，陳健初，葉興乾，劉東紅

(浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州，310058)

植物來源的花色苷是一種具有良好應(yīng)用前景的天然著色劑[1]，具有抗氧化[2]、抗炎[3]、清除自由基[4]、抗腫瘤[5-6]等生理活性功能?；ㄉ諛O不穩(wěn)定，在食品加工和貯藏過程中容易受到外界因素如溫度、pH、光照、氧氣等影響而發(fā)生降解，生成無色的查爾酮或其同分異構(gòu)體α-二酮[7]。目前用來提高花色苷穩(wěn)定性的途徑主要有：分子輔色(copigmentation)作用、化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾、生物工程技術(shù)等[8]。其中輔色作用的原理是模擬自然生化條件下植物中花色苷的穩(wěn)定呈色機(jī)制[9]，故近年來備受研究學(xué)者的關(guān)注。

花色苷的輔色作用方式有分子內(nèi)或分子間輔色、金屬絡(luò)合和自聚合作用4種，常用的輔色劑有酚類化合物、生物堿、金屬離子以及有機(jī)酸等[10]，其中以酚類化合物如類黃酮、酚酸等研究最多[11]。盧鋒波[12]研究發(fā)現(xiàn)在模擬酒體系和黑莓汁體系中，阿魏酸、咖啡酸和綠原酸對黑莓花色苷產(chǎn)生了增色和紅移效應(yīng)，并且在輔色過程中產(chǎn)生了衍生物。李永強(qiáng)等[13]研究黃酮對楊梅花色苷的輔色作用發(fā)現(xiàn)黃酮含量與楊梅酒的色調(diào)角、最大吸收波長和花色苷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。劉松等[14]研究發(fā)現(xiàn)單寧酸對黑米色素、紅樹莓色素和甘藍(lán)紅色素3種物質(zhì)中提取的天然色素都有輔色效果。ZHANG等[15]研究發(fā)現(xiàn)羥基肉桂酸類化合物處理的紅葡萄酒模擬溶液在pH 3.6的環(huán)境下表現(xiàn)出明顯的紅移和增色效應(yīng)。楊梅雖顏色鮮艷，富含花色苷，但楊梅汁等加工制品在加工過程中容易因花色苷的不穩(wěn)定而失去美觀色澤。而有關(guān)提高楊梅花色苷在水溶液體系下的穩(wěn)定性研究報(bào)道較少，并且類黃酮物質(zhì)大多不溶于水無法作為輔色劑添加到楊梅花色苷水溶液體系中，故選用單寧酸和綠原酸2種水溶性較好的酚酸作為輔色劑，探究其對增強(qiáng)楊梅花色苷水溶液體系下的穩(wěn)定性效果的研究意義重大。

本研究以實(shí)驗(yàn)室自提的楊梅花色苷為研究對象，選取單寧酸和綠原酸為輔色劑，在pH 3.4的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液體系下研究不同摩爾濃度的輔色劑對輔色效果的影響，探究輔色劑對楊梅花色苷熱降解及色澤穩(wěn)定性的影響，通過熱力學(xué)研究探討輔色反應(yīng)的過程，分析輔色前后楊梅花色苷組分變化，初步探討單寧酸和綠原酸對楊梅花色苷的輔色機(jī)理。以期為楊梅衍生產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)過程中花色苷穩(wěn)定性的提高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺種楊梅采自浙江寧波慈溪，立即冷藏至-18 ℃冰箱。

綠原酸95%、單寧酸、甲醇(色譜級)、甲酸(色譜級)，中國上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Na2HPO4、檸檬酸、HCl、乙醇(分析純)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；純凈水，中國杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司；矢車菊素-3-葡萄糖苷(純度≥95%)，美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-10數(shù)顯恒溫?cái)嚢杷″?，金壇市科杰儀器廠；UV-2550紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；Color Flex EZ全自動色差計(jì)，美國Hunt Lab顏色管理公司；浴室超聲波裝置，寧波新芝生物科技股份有限公司；Waters2695 高效液相色譜系統(tǒng)(配有可變光波長紫外檢測器和Empower色譜工作站)，美國Waters公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 楊梅花色苷模擬溶液的制備

楊梅花色苷的提取參考劉傳菊[16]的方法稍作修改，稱取50 g冷凍干燥的楊梅(去核)，加入500 mL含有0.1%HCl的60%乙醇溶液，超聲提取3 h，過濾，濾渣再用500 mL含有0.1%HCl的60%乙醇溶液超聲提取3 h，過濾、合并所得濾液?；ㄉ粘吻逡涸儆眯D(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮(溫度<40 ℃)至約50 mL，并回收乙醇。將上述花色苷濃縮液用pH 3.4的檸檬酸—磷酸氫二鈉緩沖液稀釋200倍得到楊梅花色苷樣品溶液，避光放置備用。

1.3.2 輔色作用實(shí)驗(yàn)

1.3.2.1 輔色劑濃度對楊梅花色苷色澤的影響

取楊梅花色苷模擬溶液，分別加入單寧酸和綠原酸，花色苷與輔色劑的摩爾比為1∶0、1∶1、1∶5、1∶10、1∶20、1∶30，混合均勻。置于80 ℃水浴鍋中加熱2 h后取出，測定相關(guān)指標(biāo)測定。

1.3.2.2 輔色劑對楊梅花色苷熱穩(wěn)定性的影響

取楊梅花色苷樣品溶液，分別加入單寧酸和綠原酸，花色苷與輔色劑的摩爾比為1∶20混合均勻。分別置于70，80，90 ℃水浴鍋中加熱5 h，每隔1 h取樣進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定。

1.3.3 可見吸收光譜及色差的測定

可見吸收光譜采用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行測定。取樣品溶液3 mL，在400～700 nm處進(jìn)行高速掃描，掃描間隔為1 nm，以蒸餾水為參比，比色皿長度為1 cm。

色差采用全自動色差儀直接測定。于反射模式下測定樣品的CIELAB三刺激顏色L*a*b*值，重復(fù)3次[17]。L*從100到0表示由白色變?yōu)楹谏?，a*由小到大代表顏色從綠變紅，b*由小到大代表顏色從藍(lán)變黃。將色差值用Photoshop軟件還原成色塊，做成直觀的顏色圖[18]。

1.3.4 熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析

輔色作用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)參考MALAJ等[19]的方法計(jì)算，并稍作修改。

1.3.4.1 平衡常數(shù)K

根據(jù)方程ln[(A-A0)/A0]=lnK+nln[Cp]0，進(jìn)行直線擬合求出K值。A和A0分別為添加不同濃度的輔色劑和未添加輔色劑的花色苷溶液在80 ℃下加熱2 h后的512 nm處吸光值；n為輔色劑與花色苷的化學(xué)計(jì)量比；[Cp]0為輔色劑的濃度。

1.3.4.2 吉布斯自由能ΔG

根據(jù)方程ΔG=-RTlnK計(jì)算吉布斯自由能ΔG值。其中R為氣體摩爾常數(shù)(8.314 J/(mol·k))

1.3.4.3 焓變值ΔH

1.3.4.4 熵變值ΔS

根據(jù)Gibbs-Helmholtz方程ΔG=ΔH-TΔS計(jì)算ΔS值。

1.3.5 楊梅花色苷輔色前后HPLC分析

參考TIWARI等[20]的方法并稍作修改，液相條件：色譜柱Agilent ZORBAX SB C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動相：A相為5%甲酸水溶液，B相為純甲醇，洗脫程序0～5 min： 5%B，5～8 min:5%～25%B；8～15 min： 25%～30%B；15～20 min：30%～5%B；檢測波長520 nm；流速為1 mL/min；柱溫30 ℃；進(jìn)樣量10 μL。

1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行，采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行比較分析。測定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用ANOVA進(jìn)行鄧肯氏(Duncan’s)差異分析，以P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 輔色劑對楊梅花色苷的輔色效果

2.1.1 輔色劑濃度對楊梅花色苷色澤的影響

由圖1可知，隨著輔色劑濃度的增大，楊梅花色苷溶液的最大吸光值逐漸升高，輔色效果逐漸增強(qiáng)。以不加輔色劑的花色苷溶液為空白對照，當(dāng)花色苷與輔色劑的摩爾比為1∶1時(shí)，單寧酸和綠原酸輔色組的最大吸光值與空白組相比差異均不顯著(P>0.05)；當(dāng)摩爾比為1∶5時(shí)，單寧酸輔色組的最大吸光值與空白組相比差異顯著(P<0.05)，而此時(shí)綠原酸輔色組與空白組相比差異仍不顯著；當(dāng)摩爾比≥1∶20時(shí)，單寧酸和綠原酸輔色組的最大吸光值與空白組相比均差異顯著(P<0.05)。由圖1可以看出，花色苷溶液的最大吸收波長隨著花色苷與輔色劑摩爾比的增大而發(fā)生遷移。當(dāng)摩爾比從1∶0增加到1∶30時(shí)，單寧酸輔色組的最大吸收波長從512 nm遷移到522 nm，而綠原酸組從512 nm遷移到515 nm，都出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明單寧酸和綠原酸都能使花色苷產(chǎn)生增色效應(yīng)，濃度越大，增色效應(yīng)越明顯。

a-輔色劑為單寧酸；b-輔色劑為綠原酸圖1 楊梅花色苷溶液加入不同摩爾比的單寧酸和綠原酸輔色時(shí)的紫外掃描圖Fig.1 The UV-vis of bayberry anthocyanins solution when added with different molar ratio of tannic acid and chlorogenic acid

表1 楊梅花色苷溶液加入不同摩爾比的單寧酸和綠原酸輔色時(shí)的L*、a*、b*值Table 1 Changes of L*,a*,b* values of bayberry anthocyanins solution when added with different molar of tannic acid and chlorogenic acid

注：同一列相同字母代表差異不顯著，不同字母代表差異顯著(P<0.05)。

由表1可知，經(jīng)單寧酸和綠原酸輔色后，楊梅花色苷溶液的L*值減小，a*值增大，說明楊梅花色苷溶液的顏色變深、紅度增加。以不加輔色劑的花色苷溶液為空白對照，當(dāng)花色苷與輔色劑的摩爾比≥1∶5時(shí)，單寧酸輔色組的L*值、a*值與空白組相比差異顯著(P<0.05)；當(dāng)摩爾比≥1∶20時(shí)，綠原酸輔色組的L*值、a*值與空白組相比差異顯著(P<0.05)，L*值、a*值的差異變化與最大吸光值的結(jié)果一致。b*值隨著摩爾比的增加無明顯變化趨勢。楊梅花色苷輔色后L*值、a*值的變化趨勢與劉松等[14]研究單寧酸對甘藍(lán)紅色素、黑米色素和紅樹莓色素的輔色作用結(jié)果一致。

2.1.2 輔色劑對楊梅花色苷溶液色澤熱穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，楊梅花色苷溶液及加入輔色劑輔色后的楊梅花色苷溶液吸光值均隨著加熱溫度的升高和時(shí)間的延長呈降低趨勢。對照組在70、80、90 ℃條件下加熱5 h后吸光值分別下降至0.605、0.455、0.240， 與加熱前相比，分別降低了22.5%、41.7%、69.3%。用單寧酸、綠原酸輔色后的花色苷溶液在70 ℃、80 ℃加熱5 h后，吸光值分別下降至0.800、0.678 和0.637、0.532。

圖2 楊梅花色苷溶液經(jīng)輔色后A512值隨著加熱時(shí)間的變化Fig.2 Changes of A512value of bayberry anthocyanins solution after copigmentation with time

90 ℃加熱5 h后，吸光值分別為0.370、0.297，與加熱前相比，吸光值分別降低了62.7%和65.9%。加熱后，輔色組吸光值的下降速率均小于對照組，說明經(jīng)單寧酸和綠原酸輔色后，楊梅花色苷色澤穩(wěn)定性明顯提高，且2種酚酸的輔色效果在不同溫度下對于熱穩(wěn)定性的提高有所差異，單寧酸的輔色效果優(yōu)于綠原酸。

由圖3可知，在熱處理過程中，楊梅花色苷溶液的L*值隨加熱時(shí)間的延長呈上升趨勢，a*值、b*呈下降趨勢，表明在加熱條件下，溶液的亮度變小，紅色度降低。在70、80、90 ℃下，對照組的a*下降速度最快，綠原酸輔色組次之，單寧酸輔色組下降速度最慢。90 ℃加熱5 h后，對照組、單寧酸組和綠原酸組的a*值分別從44.58、51.26、47.62下降至19.84、33.33、25.25。說明在加熱過程中，2種輔色劑均可減緩楊梅花色苷溶液色澤的降解速率，且單寧酸的輔色效果較綠原酸好。這與吸光值分析的結(jié)果一致。

圖4是用Photoshop軟件以色差值制作的色塊圖。由圖4中可以直觀地觀察到熱處理下未添加輔色劑和添加輔色劑的楊梅花色苷溶液的顏色變化。隨著加熱時(shí)間的延長，楊梅花色苷溶液顏色變淺，紅色度降低，褐色度增加。其中，90 ℃處理下顏色變化最劇烈，輔色效果也最為凸顯，80 ℃次之，而70 ℃下較難用肉眼識別變化。在加熱5 h后，單寧酸輔色后的還原色塊紅色度相比對照明顯偏高。說明單寧酸的輔色效果較好，對增強(qiáng)花色苷溶液的熱穩(wěn)定性有明顯作用。

圖3 楊梅花色苷溶液經(jīng)輔色后L*、a*、b*值隨著加熱時(shí)間的變化Fig.3 Changes of L*,a*,b* values of bayberry anthocyanins solution after copigmentation with time

a-對照組；b-單寧酸輔色組；c-綠原酸輔色組，色塊從左至右分別為未加熱、加熱1 h、2 h、3 h、4 h、5 h的樣品圖4 楊梅花色苷溶液經(jīng)輔色后還原色塊圖隨著加熱時(shí)間的變化Fig.4 Changes of color swatches of bayberry anthocyanins solution after copigmentation with time

2.2 輔色作用機(jī)理的初步探究

2.2.1 楊梅花色苷輔色前后的組分分析

楊梅花色苷經(jīng)單寧酸和綠原酸輔色前后的液相色譜圖如圖5所示，楊梅花色苷水溶液體系下輔色處理組均無衍生物產(chǎn)生，與對照組花色苷組分一致。早前有學(xué)者認(rèn)為[21-22]，有機(jī)酸可與花色苷上的糖鏈發(fā)生酰化反應(yīng)形成?；幕ㄉ?，花色苷有效保護(hù)花色苷母核的陽離子免受水分子的親核攻擊，進(jìn)而提高花色苷的穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)輔色組有新的花色苷衍生物產(chǎn)生，故可判斷單寧酸和綠原酸的輔色作用并非由于酰化反應(yīng)造成。ZHANG等[23]在研究紅葡萄酒模擬溶液中研究多酚物質(zhì)對錦葵色素-3-葡萄糖苷的輔色作用時(shí)，通過量子力學(xué)計(jì)算推測兩者之間的輔色作用是非共價(jià)結(jié)合的結(jié)果，是因?yàn)棣?π堆疊形成更穩(wěn)定的復(fù)合物來提高花色苷的穩(wěn)定性。據(jù)此推測單寧酸和綠原酸與楊梅花色苷的輔色作用也可能是非共價(jià)輔色。

a-對照組；b-單寧酸輔色組；c-綠原酸輔色組圖5 楊梅花色苷添加輔色劑前后液相色譜圖Fig.5 HPLC profiles of bayberry anthocyanins before and after copigmentation

2.2.2 輔色作用的熱力學(xué)研究

熱力學(xué)研究的目的是確立一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，判定反應(yīng)發(fā)生的可能性或者反應(yīng)是否能自發(fā)進(jìn)行[24]。通過計(jì)算平衡常數(shù)K、吉布斯自由能ΔG、焓變值ΔH、熵變值ΔS來預(yù)測花色苷與輔色劑之間的反應(yīng)、結(jié)合等能量交換過程，進(jìn)而了解輔色反應(yīng)的機(jī)制。根據(jù)ln[(A-A0)/A0]與ln[Cp]0進(jìn)行直線擬合的截距求出K值、ln[(A-A0)/A0]與溫度的倒數(shù)(1/T)進(jìn)行擬合的斜率求出焓變值ΔH，再通過公式進(jìn)一步計(jì)算得出吉布斯自由能ΔG、熵變值ΔS。結(jié)果如表2所示所示。

表2 單寧酸和綠原酸與楊梅花色苷輔色作用的平衡常數(shù)及熱力學(xué)參數(shù)Table 2 The equilibrium constant and thermodynamic parameters related to the process of copigmentation among tannic acid,chlorogenic acid and bayberry anthocyanin

輔色作用中花色苷與輔色劑間關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度由平衡常數(shù)K值反映[25]，如表2所示，不同的輔色反應(yīng)體系K值不同，單寧酸輔色組的K值大于綠原酸組，表明單寧酸更容易與楊梅花色苷結(jié)合發(fā)生輔色反應(yīng)，這與輔色效果的結(jié)論一致。造成輔色效果有所差異的原因可能是2種輔色劑的結(jié)構(gòu)不同[26]，其中單寧酸是沒食子酸的聚合體，而綠原酸是咖啡酸和奎寧酸的酯化物[27]。吉布斯自由能ΔG被看做影響反應(yīng)過程的熱力學(xué)勢能，ΔG小于0，表明輔色反應(yīng)的過程是自發(fā)進(jìn)行的。焓變值ΔH取決于反應(yīng)環(huán)境的溫度[24]，對于單寧酸和綠原酸與花色苷的輔色反應(yīng)體系，ΔH均小于0，說明2種輔色劑與花色苷的相互作用的過程均是放熱的，熵變值ΔS小于0，表示反應(yīng)體系的均勻度降低[28]。

3 結(jié)論

在水溶液體系中，2種輔色劑(單寧酸和綠原酸)對于楊梅花色苷均有輔色效果。隨著輔色劑摩爾濃度的增加，楊梅花色苷溶液出現(xiàn)了紅移和增色效應(yīng)，最大吸光值逐漸增加；在相同摩爾濃度下，單寧酸的增色效果大于綠原酸。添加輔色劑后，楊梅花色苷溶液的熱穩(wěn)定性提高，與對照組相比，輔色組的A512、L*、a*、b*值的變化速率減緩，顏色變化速率減小?；ㄉ蛰o色前后的高效液相色譜圖說明輔色反應(yīng)過程并無新的花色苷衍生物產(chǎn)生，故排除?；磻?yīng)的作用機(jī)理。熱力學(xué)研究結(jié)果表明：2種輔色作用的吉布斯自由能ΔG值均小于0，表明輔色作用為自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)；而焓變值ΔH及熵變值ΔS都是負(fù)值，表明輔色作用為放熱反應(yīng)。單寧酸與花色苷輔色反應(yīng)的平衡常數(shù)K值大于綠原酸，說明單寧酸與花色苷的輔色反應(yīng)更容易進(jìn)行。關(guān)于酚酸分子結(jié)構(gòu)與輔色效果的關(guān)系及輔色機(jī)理還有待進(jìn)一步深入探究。

因此，在楊梅花色苷溶液中添加適量單寧酸和綠原酸是提高溶液色澤穩(wěn)定性的有效方法，且單寧酸的輔色效果大于綠原酸。此外，單寧酸和綠原酸都是水果、蔬菜和谷物中的酚類物質(zhì)，安全性高于化學(xué)合成的輔色劑，且具有多種生物活性，將其開發(fā)成天然植物輔色劑具有重大的實(shí)際意義。